高速卧式加工中心

高速卧式加工中心（共9篇）

高速卧式加工中心 篇1

0 引言

卧式加工中心是一种重要的通用设备, 目前国内外的中小型卧式加工中心的逐渐向高速度、高精度方向发展, 很多行业 (尤其汽车行业) 特别需要一种高精度和高效率加工的卧式加工中心, 通过卧式加工中心功能多样, 来组成柔性的制造单元, 减少购买专用机床带来的高成本和产品的不可替代性。现在在内地能实现高精度、高效率的设备几乎都是欧美以及日本的机床, 为充分满足市场的需求, 我们研制开发了产品HMC63e型卧式加工中心。

HMC63e是一款紧跟国际步伐的高速型卧式加工中心, 台板尺寸为:630mm×630mm, 该产品是在老产品 (TH6563X63A) 的基础上使分体式 (横纵床身螺钉联接) 床身变为整体式 (横纵床身一体) 铸造;床身材质由灰铁变为球铁 (QT400) , 床身的刚性以及韧性得到很大提升;主轴的最高速度、三个直线轴的快移以及进给速度有了提高;工件交换方式由双工位推拉式交换变为单工位水平交换, 定位精度高, 缩短了交换时间的同时减少了占地面积。该系列机床不但试用与加工通用型工件, 它具有的高精度、高效率的特点更适合于汽车行业、航空航天类高精尖的零件制造, 填补了国内一部分空白。

1 HMC63e加工中心描述

1) 机床设计的总体布局为纵、横床身呈倒T字型结构, 立柱横向左右移动 (X轴行程1000mm) , 主轴箱上下移动 (Y轴行程900mm) , 工作台在床身上纵向前后移动 (Z轴行程900mm) 。床身采用整体式铸造床身, 刚性好;

2) 立柱为龙门框架型正挂箱, 具有良好的刚性, 受力均匀、动态性能好、精度稳定;

3) 三轴导轨为日本THK的滚柱线轨, 耐磨损, 方便维护, 承载力大, 精度高;三个直线轴的丝杠与伺服电机通过联轴器直联, 同步性能能好, 快移和进给速度可达40m/min;

4) X、Y、Z、B四个坐标的检测部件均采用德国海德汉光栅尺进行直接测量, 形成全闭环控制, 定位精度以及重复定位精度可达0.008/0.005mm;

5) 主轴箱为二级齿轮传动, 一级主轴产生的扭矩大 (最高为1100 N·m) , 用户可实现对工件的粗加工, 还可以为了提高表面粗糙度而提高主轴转速, 使主电机输出功率由低到高没缺口;主轴转速范围为20 rpm~6000rpm;

6) 机床工作台为牙盘转台 (1°X360) , 回转由交流伺服电机驱动, 经皮带减速与蜗杆连接, 保证分度精度;液压自动夹紧、松开, 运动准确可靠。工作台回转采用推力向心轴承支承, 运动平稳、定位精度高, 承载能力大;

7) 双交换工作台站, 采用浮起式直接回转结构, 交换时间为12s。当一个工作台工作时, 另一个工作台进行零件装卸, 可减少辅助时间, 提高效率;

8) 机床设有全封闭防护间, 正面和侧面均有拉门, 操作方便、安全。X、Y、Z均有防锈金属防护拉板, 防止冷却液、切屑飞溅, 有效防止铁屑及冷却液的飞溅对导轨的侵蚀, 保护导轨及丝杠, 提高使用寿命;

9) 排屑采用中间冲刷排屑, 排屑快速, 减少机床热变形, 有利提高精度;

10) 数控系统采用SIEMENS 840D, 交流主轴电机、交流伺服进给电机等均为原装进口。

2 HMC63e卧式加工中心结构特点

2.1 机床床身采用三点支撑

对于普通机床, 绝大多数为多地脚形式, 缺点在于水平难调, 床身刚性不好, 很容易变形。本机床只保留三个地脚, 三点可以确定一个平面, 这三个地脚呈等腰三角形分布。第1个地脚作用是支撑床身, 无需调节, 之后调节其余两个地脚就可以快捷的完成机床水平的调节。该床身大件内部为双层钣金箱体铸造而成, 刚性比普通机床的单箱体好, 床身导轨和定位面在德国进口龙门五面加工中心上一次精加工完成, 装配精度稳定性高, 同时降低了工人的劳动强度。见图1所示。

2.2 X向床身导轨阶梯排布

前导轨低, 后导轨高, 加工零件时转台做进给运动, 主轴箱和立柱承受来自转台的进给力, 阶梯排布的好处在于减小了前导轨受到的应力集中, 延长了前导轨的寿命, 并抵消了一部分立柱的倾覆力矩, 减轻了立柱的重量, 并提高了立柱刚性, 有利于高速运动。见图2所示。

2.3 排屑系统

回转工作台运动方向的左右两侧各有一套螺旋排屑器 (螺排) , 立柱正下方的床身处有一个链板排屑器 (链排) 。在工件的加工过程中, 铁屑被防护间内部的喷淋系统落入螺排里, 然后它将铁屑推入链排里, 链排将铁屑以及切屑液通过床身下端的开口导入机床后端的过滤回收装置, 实现铁屑以及切屑液的循环。优点是防止铁屑的堆积, 让机床温度和精度稳定。

2.4 双油缸回转交换机构

交换站的回转动作采用双油缸轮流驱动的形式, 两个油缸轮流动作, 保证工作台支撑叉子180°回转。当一个油缸中的活塞快移动到终点时, 该油缸的一侧有稳定的液压缓冲装置, 该装置通过调节流量来调节支撑叉子停止时间, 确保工作台交换的平稳性, 保证交换精度。见图3所示。

2.5 丝杠轴承座与床身一体化结构

三向支撑丝杠的轴承座与立柱或床身铸造成一体, 大大加强了轴承座的刚性, 依靠部件加工来保证形位公差, 可以大大提高机床装配效率, 有利于保证机床精度稳定性, 该方式目前已被国外很多厂家应用。

2.6 Z向单张防护板

采用流行的Z向单张不锈钢防护板形式, 解决了由于防护拉板各层之间的密封不好造成的漏水、铁屑卷入造成破损的问题, 还可提高高速移动时的稳定性。

通过近年来的市场推广和用户使用实践, 证明HMC系列产品在参数和性能上已经超越了国产机床, 与一些合资品牌不相上下, 同时在刚性、速度、精度、稳定性等方面也与国外进口机床拉近了距离, 提高了加工中心的制造水平和市场竞争力。

摘要：简要介绍机床的技术性能与结构特点。技术参数已超过国内产品, 某些参数已经接近国外知名品牌产品。

参考文献

[1]陈循介.高速卧式加工中心新结构[J].世界制造技术与装备市场, 2002 (3) .

高速卧式加工中心 篇2

超硬材料刀具在高速切削领域独占优势，其实际应用与日俱增。在这类刀具中PCD(聚晶金刚石)刀具是高速切削铝合金和非金属材料的最佳选择，而金刚石涂层刀具则不仅已经实用化且增长势头很猛;PCBN(立方氮化硼聚晶产品)刀具适于以更高速度切削铸铁、淬硬钢等材料，CBN(立方氮化硼)涂层刀具也有望在近期取得重大技术突破。

为了使高速切削刀具有足够的使用寿命和低的切削力，应根据不同的工件材料选择最佳的刀具几何角度。与普通切削相比，高速切削刀具前角一般要小一些甚至是负前角，后角要稍大一点，且常采用修圆或倒角刀尖来增大刀前角，以防止刀尖处的热磨损。由于进行高速切削的旋转刀具要在很高的转速下工作，离心力问题非常突出，故要求其刀体结构和刀片夹紧结构应十分可靠，同时需要在动平衡仪上经过严格的动平衡，最好能进一步安装在机床上与主轴组件一起进行动平衡。

在普通转速下刀具与主轴间广泛采用的7：24锥联结，当高速旋转时，由于实心锥柄不能像主轴孔那样受离心力作用发生“胀大”，两者之间出现间隙会导致刀具在锥孔内摆动，从而引起刀具的轴向定位误差和破坏结构的动平衡。为了克服这种联结高速性能差的缺点，相继开发出了一些适合高速切削的联结方式，如：HSK 工具系统和Capto工具系统。

下面详细介绍刀具、刀柄及切削用量的选取。

1 刀具材料

要实现高速切削，刀具材料是关键。高速切削材料主要有硬质合金、涂层刀具、金属陶瓷、陶瓷、立方氮化硼和金刚石刀具。它们各有优点，适合不同的工件材料和不同的切削速度范围。必须注意的是刀具材料和工件材料副之间有一个适配性问题，即一种刀具材料与工件材料时性能良好，但加工另一种工件材料时却不理想，换句话说，不存在一种万能刀具材料可适用于所有工件材料的高速加工。

高速切削刀具材料必须根据所加工的工件材料和加工性质来选择。一般而言，陶瓷刀具、涂层刀具及CBN刀具适合于加工钢铁等黑色金属的高速加工;PCD刀具适合于对铝、镁、铜等有色金属高速加工。表中列出了上述刀具材料所适合加工的一些工件材料。

陶瓷刀具已应用于加工各种铸铁、钢件、热喷涂喷焊材料、镍基高温合金等。

金刚石刀具适合于加工非金属材料、有色金属及其合金。由于金刚石的热稳定性差，切削温度达到800℃时，就会失去其硬度。因为金刚石和铁有很强的化学亲和力，在高温下铁原子容易与碳原子相互作用使其转化为石墨结构，刀具极容易损坏，因此金刚石刀具不适合于加工钢铁类材料，在切削有色金属时，PCD刀具的寿命是硬质合金刀具的几十甚至几百倍。

立方碳化硼刀具既能胜任淬硬钢、轴承钢、高速钢、冷硬铸铁的粗、精车，又能胜任高温合金、热喷涂材料、硬质合金及其他难加工材料的高速切削。CBN刀具是实现以车代磨的最佳刀具之一。

2 刀具

以下介绍在加工中心上加工壳体常用刀具。

1、铣刀

在面铣时，由于铣刀和工件之间的关系，尺寸和位置是重要的因素。在选择刀具时，工件的宽度决定铣刀的直径。对于加工小件而言，一般刀具直径比工件大30%是比较理想的，但是机床功率和稳定性在许多情况下起决定作用。面铣常常需要几次走刀才能完成。

在优化铣削效果时，铣刀的刀片是另一个重要因素。在任何一次铣削时如果同时参加切削的刀片数多于一个是优点，但同时参加切削的刀片数太多就是缺点。在切削时每一个切削刃不可能同时切削，所要求的功率和参加切削的切削刃多少有关。就切屑形成过程，切削刃负载以及加工结果来说，铣刀相对于工件的位置起到了重要作用。在面铣时，用一把比切削宽度大约大30%的铣刀并且将铣刀位置在接近于工件的中心，那么切屑厚度变化不大。在切入切出的切屑厚度比在中心切削时的切削厚度稍稍薄一些。

为了确保使用足够高的平均切屑厚度/每齿进给量，必须正确地确定适合于该工序的铣刀刀齿数。铣刀的齿距是有效切削刃之间的距离。可根据这个值将铣刀分为3个类型——密齿铣刀、疏齿铣刀、特密齿铣刀。

和铣削的切屑厚度有关的还有面铣刀的主偏角。主偏角是刀片主切削刃和工件表面之间的夹角，主要有45度、90度角和圆形刀片。切削力的方向变化随着主偏角的不同将发生很大的变化：主偏角为90度的铣刀主要产生径向力，作用在进给方向，这意味着被加工表面将不承受过多的压力，对于铣削结构较弱的工件是比较可靠。

主偏角为45度的铣刀其径向切削力和轴向大致是相等的，所以产生的压力比较均衡，对机床功率的要求也比较低，特别适合于铣削产生崩碎切屑的短屑材料工件。

圆形刀片的铣刀意味着主偏角从0度到90度连续变化，这主要取决于切削深度。这种刀片切削刃强度非常高，由于沿长切削刃方向产生的切屑比较薄，所以适合大的进给量。沿刀片径向切削力的方向在不断改变，而且在加工过程中所产生的压力将取决于切削深度。现代刀片几何槽形的研制使圆形刀片具有平稳的切削效应、对机床功率需求较低、稳定性好等优点。今天，它已不再是一种有效的粗铣刀，在面铣和立铣中都有广泛的应用。

相对于工件的进给方向和铣刀的旋转方向有两种方式。第一种是顺铣，铣刀的旋转方向和切削的进给方向是相同的，在开始切削时铣刀就咬住工件并切下最后的切屑。第二种是逆铣，铣刀的旋转方向和切削的进给方向是相反的，铣刀在开始切削之前必须在工件上滑移一段，以切削厚度为零开始，到切削结束时切削厚度达到最大，

在三面刃铣刀、某些立铣或面铣时，切削力有不同方向。面铣时，铣刀正好在工件的外侧，切削力的方向更应特别注意。顺铣时，切削力将工件压向工作台，逆铣时切削力使工件离开工作台。

由于顺铣的切削效果最好，通常首选顺铣，只有当机床存在螺纹间隙问题或者有顺铣解决不了的问题时，才考虑逆铣。

在理想状况下，铣刀直径应比工件宽度大，铣刀轴心线应该始终和工件中心线稍微离开一些距离。当刀具正对切削中心放置时，极易产生毛刺。切削刃进入切削和退出切削时径向切削力的方向将不断变化。机床主轴就可能振动并损坏，刀片可能碎裂而加工表面将十分粗糙。铣刀稍微偏离中心，切削力方向将不再波动—— 铣刀将会获得一种预载荷。我们可以把中心铣削比做在马路中心开车。

铣刀刀片每一次进入切削时，切削刃都要承受冲击载荷，载荷大小取决于切屑的横截面、工件材料和切削类型。切入切出时，切削刃和工件之间是否能正确咬合是一个重要方向。

当铣刀轴心线完全位于工件宽度外侧时，在切入时的冲击力是由刀片最外侧的刀尖承受的，这将意味着最初的冲击载荷由刀具最敏感的部位承受。铣刀最后也是以刀尖离开工件，也就是说刀片从开始切削到离开，切削力一直作用在最外侧的刀尖上，直到冲击力卸荷为止。当铣刀的中心线正好位于工件边缘线上时，当切屑厚度达到最大时刀片脱离切削，在切入切出时冲击载荷达到最大。当铣刀轴心线位于工件宽度之内时，切入时的最初冲击载荷沿切削刃由距离最敏感刀尖较远的部位承受，而且在退刀时刀片比较平稳的退出切削。

对于每一个刀片来说，当要退出切削时切削刃离开工件的方式是重要的。接近退刀时剩余的材料可能使刀片间隙多少有所减少。当切屑脱离工件时沿刀片前刀面将产生一个瞬时拉伸力并且在工件上常常产生毛刺。这个拉伸力在危险情况下危及切屑刃安全。

当铣刀轴心线和工件边缘线重合或接近工件的边缘线时，情况将很严重。达到较好铣削的总结

①检查机床的功率和刚度，以保证所需要的铣刀直径能够在机床上使用。

②主轴上刀具的悬伸量尽可能达到最短，减小铣刀轴线与工件位置对冲击载荷的影响。

③采用适合于该工序的正确的铣刀齿距，以确保在切削时没有太多的刀片同时和工件啮合而引起振动，另一方面，在铣削狭窄工件或铣削型腔时要确保有足够的刀片和工件啮合。

④确保采用每刀片的进给量，以便在切屑足够厚时能获得正确的切削效果，从而减小刀具磨损。采用正前角槽形的可转位刀片，从而获得平稳的切削效果以及最低的功率。

⑤选用适合于工件宽度的铣刀直径。

⑥选用正确的主偏角。

⑦正确的放置铣刀。

⑧仅仅在必要时使用切削液。

⑨遵循刀具保养及维修的规则，并且监控刀具磨损。

(2)钻头

钻头是孔加工刀具中应用最广的刀具，尤其是钻削ф30mm以下的孔时，钻头从结构上分为整体式和可转位刀片钻头，由于汽车工业追求高的生产效率，台肩和倒角复合钻的应用也越来越广泛。

许多工件上都需要钻削一个孔或数个孔，而且如今这些孔大多数都是在数控机床和加工中心上加工。从原理上讲，有许多不同类型的孔，在这些孔之间最普遍的差异是配合间隙。这些孔包括螺纹孔、有极好配合要求的孔、管道孔以及为去除重量而加工出的孔等。这些孔是通孔或者是盲孔，对切削刀具和方法有不同的要求。

在钻削过程中，为了以有效的方法达到满意的效果，需要考虑4个主要因素。

①直径和孔深的比值;

②被加工孔需要的精度和表面粗糙度;

③工件材料类型、质量和硬度;

④机床，尤其是加工条件和主轴转速;

这些因素将影响钻头类型的选择和应用。在所有的加工过程中，工件、机床和工艺系统的稳定性是最重要的。在考虑什么类型的钻头适用于加工工序时，钻削工艺起着某些制约作用。最小的可转位刀片直径为12.7mm。

(3)镗刀

镗刀按结构分为整体式、装夹式和可调式，可调式又分为微调式和差动式。在汽车变速器壳体加工中常用的主要是单刃微调式镗刀和双刃粗镗刀。

粗镗刀利用轴向调节机构，使两刃高度完全一致，取得理想的平衡状态，防止振动。进给螺纹是精镗头的命脉，在一些厂家采用配对生产法，将螺丝与螺母间的齿隙限制在最小，获得最高的可靠性。在镗背面的孔时，往往需要将工件反装，或回转工作台，这样不仅浪费时间，而且很难保证同轴度，日本BIG公司生产的 EWN精镗头只需将刀片反装即可进行反镗加工，即保证精度有提高生产效率。对于有高精度要求的孔要求刀杆有高的动平衡效果，在BIG公司生产的高速小孔精镗头移动平衡环，内藏的平衡块既会移动，根据说明书中的相关数据，将平衡环转到相应的位置既可使镗头处于平衡状态。

(4)攻丝

在加工中心上有两种攻螺纹方式，高精度自动倒转攻螺纹器，最高转速达6000r/min，不需任何补偿作用的刚性攻。这两种攻螺纹的方式各有优劣，因此依照加工要求而选择，在大量生产中，因追求高效率，自动倒转攻螺纹器将有利于生产，但它机构复杂、附件繁多、维修不易、价格昂贵。目前，随着CNC加工中心使用数量的增加，刚性攻丝将日渐普及。

高速卧式加工中心 篇3

关键词：加工工艺,升降台,切削力,高速切削

沈阳机床生产的TPX6111B型卧式铣镗床是最新开发的标准型产品, 在积五十余年制造经验的基础上, 吸收国内外精华, 具有优良的性能。TPX6111B/2型卧式铣镗床增加了整体式辅助导轨。工作台在横向运动时均在刚性较好的下滑座上移动。机床变形小, 刚性好, 对加工精度的提高极其有利。TPX6111B/3型卧式铣镗床, 增加了工作台横向和主轴箱垂直行程, 扩大了加工范围。工作台面积增大, 承载能力可达3 000kg。主轴可选用ISO7:24 No50锥孔, 可自动装卸刀 (后立柱为特供) 。

TPX6111C/3型卧式铣镗床, 改变了传统交流电机集中传动特点, 主电机为变频电机, 进给为伺服进给电机拖动, 实现无级传动;上下滑座采用贴塑导轨;主轴锥孔7:24No50 (后立柱为特供) 。

1 铣床升降台加工现状

如今我国的一些企业在铣床升降台的加工制造中还是选用传统的方法进行加工, 因为传统的加工流程主要是针对特定时期的刀具状况、设备所打造的, 未经过任何的改进和优化, 一直沿用到了今天, 势必会出现质量和效率方面的不足问题, 所呈现出来的弊端已经完全不能满足当前的市场环境。

一些铣床的生产厂家也在逐步加大研发力度, 寻求是和现行市场的高端产品。只有拥有了自己的核心技术, 才能成功抢占市场。

沈阳机床所生产的D165属于功能相对比较全面的高速机床, 对合金铝、石墨、淬硬钢及超硬合金等材料的加工有独到之处, 用于中小型工件的加工。丰富的选项使得该机床具有加工复杂形面所需的高速和准确的特性, 应用广泛。其强大的功能使得该铣削中心可以用于各种模具的加工及小批量生产。D165高速加工中心可以根据用户要求选配3轴、3+1轴、4轴和5轴。适用于二三层工业厂房、餐厅、酒楼楼层间的货物传输。最低高度在150mm~300mm, 尤其适合不能开挖坑的工作场所。并且无须上部吊点。形式多样化 (单柱、双柱、四柱) 。设备运行平稳, 操作简单可靠, 具有液压、电气多种保护, 货物传输经济便捷。

2 传统铣床升降台的应用分析

铣床升降台属于上世纪七八十年代的产品, 由于受到当时的刀具、设备等相关条件的具体限制, 在镗床和铣床上加工过程, 存在很多的问题。

2.1 问题分析

工件刚性不足, 壁厚不均。为了进一步地减少所有工序之间的切削量, 这些传统的加工工艺通常被划分为半精加工、粗加工、精加工, 它的特点就是效率低工序长;主轴的转速相对较低, 所加工出来的工件通常表面上都比较粗糙;设备的落后, 定位和重复定位的精度相比较差, 不能确保部件加工的质量;装卸工件的辅助周期比较太长;对于刀具的磨损很难进行监控, 生产过程中总是很难避免大量废品的出现;换刀过程也是完全由人工来完成, 所以造成了强大的劳动量;旧工装的刚性比较差, 很容易产生振动现象。

2.2 解决方法

针对传统工艺中所存在的这些问题, 沈阳机床把高速切削加工的技术引入倒了新工艺生产过程中, 对铣床升降台平面和孔系的加工做了进一步的优化设计:把在普通设备上进行加工的替换为高速加工中心进行加工;选用了高速切削加工, 切削力相对减少很多, 同时将精加工和半精加工进行整改合并, 从而减少了生产工序, 进一步提高了其生产的效率。改用机械手进行自动的换刀, 多大回避了强度更大的劳动;对主轴的转速也进过了改进, 大大提高了其转速, 所加工的工件粗糙度降低了很多;设备定位以及重复定位的精度有了更高层次的提高, 从而确保了部件加工的质量;工况的监测系统完全实现了监测刀具磨损实时情况和刀具断裂的具体状态;两个工作台, 确保了工件的连续性加工, 大大缩短了生产周期;在工装系统的改进上主要做了:A增大夹紧力, 在传统工装系统上添设了一个夹紧位置, 并在每一个夹紧位置进行适当的增加夹紧力;B增加了辅助支撑:毛坯铸造过程中, 在薄壁位置增加了2个~3个加强竖肋;C增加定位面的面积, 使用面积较大的定位块取代定位销。

2.3 应用实例

以前, 沈阳机床D165铣床的年产量只有几十台, 现在年产量达到200台以上, 而且逐年看涨。原因是多方面的, 其中主要的一个原因是铣床关键零件升降台的机加工工艺做了重大改进。铣床升降台属于较大型铸铁箱体 (体积1 200mm×800mm×700mm) , 壁厚不均, 刚性不足。现在, 铣床升降台的加工由原来在镗床和铣床进行, 改在高速加工中心HPC800 (最高转速为6 000r/min) 进行;最后一道工序手工铲刮改为磨削加工。高速加工切削力平均减小了30%以上, 因此, 半精、精加工合二为一进行加工, 工件没有变形, 减少了工序, 提高了效率。

平面和孔系加工都改在加工中心加工。其中, 镗孔工序在高速加工中心改用Si3N4基陶瓷刀具后, 主轴转速达到2500r/min以上, 切削速度达到600m/min, 进给速度为400mm/min以上, 加工效率比以前 (转速450r/min, 进给速度为50mm/min) , 表面粗糙度有明显好转, 达到了设计要求。采用高速切削加工技术后, 省去了半精铣工序, 加工效率提高了近3倍, 而且加工表面粗糙度也达到了设计要求。

3 结论

高速切削加工技术在沈阳机床铣床升降台的加工中, 起到了重要的作用, 大大提高了加工效率和质量, 使沈阳机床铣床年产量也成倍增长, 在当今激烈的国际市场的竞争中处于不败之地。

随着交通工具进一步地提速, 世界经济的发展被推向了新的历史高潮。陪伴高速切削加工技术的逐步完善, 高速切削在机床行业乃至其它行业将会发挥越来越大的作用。

参考文献

[1]艾兴高速切削加工技术[M].国防工业出版社, 2009.

高速切削加工技术的应用分析 篇4

1 高速切削将成为切削加工的新工艺

以高速切削为代表的硬切削、干切削等新型切削工艺已经显示出很多的优点和强大的生命力,这是制造技术为提高加工效率和质量、降低成本、缩短开发周期对切削加工提出的要求。因此,发展高速切削等新型切削工艺,促进制造技术的发展是现代切削技术发展最显著的特点。当代的高速切削不只是切削速度的提高,而是需要在制造技术全面进步和进一步创新上(包括数控机床、刀具材料、涂层、刀具结构等技术的重大进步),达到切削速度和进给速度的成倍提高,并带动传统切削工艺的变革和创新,使制造业整体切削加工效率有显著的提高。硬切削是高速切削技术的一个应用领域,即用单刃或多刃刀具加工淬硬零件,它与传统的磨削加工相比,具有效率高、柔性好、工艺简单、投资少等优点,已在一些应用领域产生较好的效果。在汽车行业,用高速切削技术加工20CrMo5淬硬齿轮 (60RHC)内孔,代替磨削,已成为国内外汽车行业推广的新工艺。在模具行业用高速切削技术高速精铣淬硬钢模具,采取小的走刀步距,中间不接刀,完成型面的精加工,大大减少了抛光的工作量,显著缩短了模具的开发周期,已成为模具制造业的一项新工艺。在机床行业用CBN旋风铣精加工滚珠丝杠代替螺纹磨削, 用硬质合金滚刀加工淬硬齿轮等都显现出很强的生命力。

高速切削派生的另一项新工艺是干切削。切削加工中的切削液对环境的污染、对操作者健康的伤害,成为当前治理的重点,但是对切削液所造成危害的治理增加了制造的成本,导致干切削新技术的开发,并出现了微量润滑切削、冷风切削等准干切削新工艺。当前倡导的干切削并不是简单地把原有工艺中的切削液去掉,降低切削效率,而是进行传统切削工艺的重大变革,为新世纪提供一种清洁、安全、高效的新工艺,这是对切削技术包括刀具材料、涂层、结构的全面挑战。而节省刀具材料的贵重金属资源消耗,开发刀具重磨、回收等新技术也成为切削加工对人类文明和社会进步应尽的责任。

2 加快关键技术的开发应用

2.1 涂层成为提高刀具性能的关键技术

刀具的涂层技术在现代切削加工和刀具的发展中起着十分重要的作用,自从问世以来发展非常迅速,尤其是近几年取得了重大的进展。化学涂层(CVD)仍然是可转位刀片的主要涂层工艺,开发了中温CVD、厚膜三氧化二铝、过渡层等新工艺,在基体材料改善的基础上,使CVD涂层的耐磨性和韧性都得到提高;CVD金刚石涂层也取得了进展,提高了涂层表面光洁度,进入了实用的阶段。目前,国外硬质合金可转位刀片的涂层比例已达70%以上。在此期间,物理涂层(PVD)的进展尤为引人注目,在炉子结构、工艺过程、自动控制等方面都取得了重大进展,不仅开发了适应高速切削、干切削、硬切削的耐热性更好的涂层, 如超级TiAlN,及综合性能更好的TiAlCN 通用涂层和DLC、W/C减摩涂层,而且通过对涂层结构的创新,开发了纳米、多层结构,大幅度提高了涂层硬度和韧性。

PVD涂层技术的新进展,向我们展示了涂层技术对提高刀具性能的巨大潜力和独特的优势:可以通过对涂层工艺参数控制和靶材、反应气体的调整不断开发出新的涂层,以满足加工多样性的需要,是提高和改善刀具性能一项又快又好的技术,有着十分广阔的应用前景。

2.2 刀具结构的创新改变了传统标准刀具千篇 一律的面貌和单一的功能

随着制造业的高速发展,汽车工业、航空航天工业以及模具行业等重点产业部门对切削加工不断提出更高的要求,推动着可转位刀具持续的发展。为汽车工业流水线开发的专用的成套的刀具,突破了传统按需供刀、“闭门造刀”的做法,而成为革新加工工艺、提高加工效率、节省投资的重要工艺因素,发挥新的作用。

为满足航空航天工业高效加工大型铝合金构件的需要,开发了结构新颖的铝合金高速加工面铣刀等刀具。

模具工业的特点是高效、单件、小批生产、模具材料的硬度高加工难度大、形状复杂、金属切除量大、交货周期短,成为推动可转位刀具结构创新的强大动力, 如多功能面铣刀、各种球头铣刀、模块式立铣刀系统、插铣刀、大进给铣刀等等。回顾上世纪90年代以来切削加工的发展,模具工业还是今天高速切削、硬切削、干切削新工艺的发源地。

与此同时,也出现了各种可转位刀片的新结构,如形状复杂的带前角的铣刀刀片、球头立铣刀刀片、防甩飞的高速铣刀刀片等等，

2.3 快速发展的配套技术

切削加工的配套技术是随着切削加工技术的进步而逐渐发展起来的,是现代切削技术不可缺少的组成部分,并与切削技术和刀具保持着快速同步的发展,包括刀柄与机床主轴之间的连接方式、刀具在刀柄里的夹紧方式、刀具系统平衡及刀具管理。

双面接触的空心短锥刀柄(HSK)机床-刀具接口,由于可实现法兰端面和锥柄的同时接触,具有连接刚性好、定位精度高、且装卸时间短等优点,随着高速切削技术的推广,得到了越来越广泛的应用。这种刀柄的结构形式现已成为正式的国际标准,并且也已被众多的机床工具厂商所接受,纷纷推出带HSK主轴接口的高速加工中心和带HSK刀柄的工具系统或整体刀具,显示出这种新型刀柄的强大生命力和很好的使用前景。与此同时,一些公司还开发了与HSK类似的刀柄结构,如Sandvik公司的Capto刀柄,Kennametal公司的KM刀柄。近年来,还出现了双面接触甚至三处接触的7:24接口,以适应现有机床用于高速切削加工的需要。

在高速切削时,刀具的转速在10000~0r/min以上甚至更高,此时,刀体、刀片、及刀片的夹紧零件受到很大离心力的作用,当转速达到某一临界值时,足以使刀片甩出,或者夹紧螺钉断裂、甚至整个刀体破裂。一旦出现这些情况会造成设备或人身伤害事故,因此是应用高速切削技术必须加以防范的事情。为此,德国制定了高速旋转刀具的安全规范,对刀具的设计、检测、使用、平衡质量都作了严格的规定,这项规范已先后成为欧洲标准和国际标准。

3 机床技术

3.1 驱动和传动技术

高速切削机床的直线进给有:电机伺服系统和直线电机驱动系统两种。电机伺服直线进给系统通常由变频调速电机、机械传动环节、滚动导轨滑台和位置调节测量装置组成。它的几何定位精度可以达到5―1 0μm,运动的均匀性误差小于1μm,进给速度Vfj≥40―50m/min,(j=x、y、z),加速能力αj≥5―10m/s2,其他性能指标还有动态轨迹精度,机械传动件的动力学特性和热特性。

直线电机驱动的系统由原始级部件、滑台和位置测量装置构成,也是零传动。它的Vfj≥120 m/min,αj≥25m/s2,动态轨迹精度也高得多。

目前,高速切削机床的主轴多以高频变频调速电机直接驱动,即所谓“零传动”,并且朝着高转速、大功率、大扭矩的方向发展。例如:一种高频电主轴的最高转速n=24000r/min,最大功率p=23KW,最大扭矩M≥79nm。其关键零、部件是控制系统和传感器、电机、轴承。需要解决的技术关键问题有转子转速显示,通过监控电机温度和耗用电流来保护主轴、变频器、冷却剂的流动控制和循环冷却、刀具夹紧系统的动作控制、轴承震动的测量与监控、用阀调节润滑剂压力来调节预紧轴承、主轴密封等等。

3.2 控制和数控技术

高速切削机床部件运动速度高,在单位时间内CNC系统需要处理计算的数据大大增加,要求相应提高处理计算的速度和容量。通过采用功能强大的硬件配置, 如:奔腾芯片、64MB内存(或更高)、1―10G硬盘等,并应用数字化驱动调节和数字化总线技术,高速CNC执行程序块的速度以降低到0.5ms。通过配备空间螺旋线、抛物线、和样条插补功能,速度预控制功能,数字化自动平滑运动轨迹功能,加速和制动时的急动速度监控功能,使它的插补计算精度和容量也获得大幅度提高。此外,CNC通常具备刀具补偿、误差补偿、安全性监控等功能,并安装有高效的CNC专用模拟软件。

4 我国高速切削技术的发展现状和采取措施

我国高速切削技术目前处于起步阶段。就多数企业单位而言,由于缺乏全面认识了解和经验,或者因为资金有限,引进的高技术装备不配套,主要是没有适用的高速刀具和设备,其次缺少CAD/CAM软硬件系统。而且由于缺少优化的工艺技术数据作为参考,进口设备多数没有发挥潜力,经济效益不佳。

卧式加工中心Z轴故障处理 篇5

高效率、高精度加工已经成为现代工业化大生产的主流, 但同时存在着大量的亚精度机床, 由于设计缺陷、使用过程的磨损等原因致使精度不够, 不再适于高精度产品的加工。正如卧式加工中心一系列的内外因造成设备精度不够、故障频发, 除了影响产品质量和废品率外, 还使得操作、维修人员在工作中不得不花费大量时间进行加工产品的检测和机床调整, 降低了生产效率。

如果能够提高数控机床的加工精度, 减少故障的发生率, 可使产品检测和机床调整频次大幅度减少, 降低操作、维修人员的劳动强度和辅助工作时间。除地基质量、安装人员技术水平、机床老化等原因外, 工艺技术、维修人员维修态度、操作者的使用维保、热形变等对数控机床的精度也有一定影响, 因此改善工艺技术、端正维修态度、敦促操作者搞好维护保养、消除热误差, 防止惯性维修, 可使精度降低的机床获得新生。

故障原因是解决故障的钥匙, 故障原因分析越准确, 就越容易找到相应的处理方法。本文阐述的卧式加工中心Z轴故障处理, 重点研究机床伺服轴反向间隙的参数、机械调整。

1 机床组成及加工过程分析

1.1 机床基本组成结构

该卧式加工中心, 型号THK46100, 数控系统选用FANUC0 MC系列。整个机床由床身X轴Z轴、立柱Y轴、工作台B轴、刀库M轴、液压站、稳压电源、电气屏柜等几部分组成 (如图1所示) 。

该加工中心有X、Y、Z、B轴四轴联动功能, 各轴均采用FANUCα系列伺服电机驱动。X、Y、Z直线轴采用直线光栅尺做测量元件, B轴工作台回转轴采用圆光栅尺做测量元件, 四轴均可实现系统的半闭环和全闭环控制。X、Y、Z、B轴如图2所示。

3个直线轴的运动结构基本相同, 都是由FANUCα系列伺服电机通过刚性联轴器直接与Φ60×10滚珠丝杠相连接, 由电机的无级调速获得1~1 400 mm/min的切削进给和10 000 mm/min的快速移动功能。

1.2 机床加工产品及过程分析

该机床主要用于SS4改、SS8、SS9、六轴车等机车车轮制动盘安装孔的钻、镗、铰。制动盘安装孔共24个, 6个φ25H7, 18个φ20+0.1。先加工18个φ20+0.1, 钻、镗孔各一遍, Z轴往复运动共计18×2×2+2×2=76次 (包含主轴从换刀位置到对中定位位置和加工完成后主轴移动到换刀位置各两次) ;后加工6个φ25H7, 引、钻、镗、铰孔各一遍 (该6孔精度、光洁度要求较高, 故需留加工余量0.5 mm采用铰刀精加工一遍) , Z轴往复运动共计6×4×2+4×2=56次;24个孔均倒1×45角, Z轴往复运动共计24×2+1×2=50次。综上所述, 机床每加工一个车轮, Z轴往复运动共计76+56+50=182次。

由此可见, 机床的Z轴推动质量相当大的立柱 (Y轴) 进行相当频繁的往复运动, 并伴随着频繁的加、减速, 这样丝杠丝母副的局部相对运动剧烈、频繁, 造成伺服电机发热、丝杠丝母磨损迅速, 加上该机床已使用10多年, 某些机械部分也已严重老化和磨损, 故障率相对较高, 主要表现为电机发热严重、加工精度不够, 经常需要维修人员维修和调整精度。

2 Z轴故障分析及处理过程

2.1 Z轴运动时声音异常故障分析及处理

常规检查电机是否过热, 再检查滚珠丝杠、滚珠、丝母以及联轴器轴承等传动部件是否磨损。通过检查, 发现电机很热但无报警, 说明电机温度还在机床正常工作的允许范围内, 故排除电机故障, 并可以初步判定为传动链故障。首先分析Z轴滚珠丝杠螺母副的结构, 如图3所示。

对Z轴进行解体, 发现丝杠滚珠和电机联轴器轴承均有严重磨损情况, 更换配件, 按要求细心装配后声音消除。

装配注意事项:为了提高滚珠丝杠的刚度, 使滚珠丝杠可以很好地吸收因发热引起的丝杠伸长量, 丝杠的预加负荷应在5 000~6 000 N之间。为了保证这一点, 装配时丝杠前端 (连接电机的一端) 螺母先紧固, 然后用扭力扳手紧固另一端的螺母, 保证轴向力在5 000~6 000 N之间锁紧。

维修后电机发热的问题仍然存在, 为了给电机降温, 保证机床连续生产的进行, 在机床旁边固定一支架, 安装轴流风机。经实践证明, 电机降温效果明显。

2.2 滚珠丝杠与丝母的反向间隙调整

反向间隙是影响换向点轮廓精度的主要因素。可以通过改变参数来实现反向间隙的有限调整, 也可以通过机械调整的方法来实现过大的反向间隙消除。

2.2.1 参数调整反向间隙

以下对FANUC 0 MC系统下进行参数设置来实现反向间隙调整的方法进行说明:

1) 反向间隙测量:在主轴头上置百分表, 以手轮方式控制Z轴向负方向移动, 直到百分表触杆接触工件, 再把Z轴向负方向移动2 mm左右, 旋转可转动表盘使指针对准0刻线;然后手轮倍率旋至0.001, 同时标识并记下手轮当前位置, 用手轮移动Z轴向正方向移动。此时注意:在用手轮移动Z轴正向移动的时候, 眼睛要盯住百分表指针, 观察指针的状态, 指针静止不动就继续用手轮控制Z轴正向移动;指针开始偏转就停止移动Z轴, 计算出手轮旋转过的格数t, 令s=t-1, 则0.001*s mm就是反向间隙值:0.001*s记为ΔP。可测量多次求平均值。

2) 在MDI状态下, 按DGNOSPARAM键2次, PAGE↓键一次, 找到PWE=0 (0:DISABLE, 1:ENABLE) , 赋PWE=1, 进入可修改参数状态;把控制面板上模式旋钮旋至编辑。

3) 进入可修改参数状态后, 按PAGE↓翻页直至找到轴反向间隙参数535 (X轴) 、536 (Y轴) 、537 (Z轴) 、538 (B轴) 。

4) 根据测量的反向间隙值ΔP=0.001 s=0.001 (t-1) mm, 换算为微米单位制后, ΔP=s= (t-1) μm, 把数值赋给参数537。

5) 参数修改完毕, 把PWE赋0值, 修改为不可修改参数状态。

6) 重新打表测量是否达到精度要求, 若没有达到精度要求重复以上操作, 直到满足精度要求为止。

2.2.2 机械调整反向间隙

丝杠螺母副实物图 (图5所示) , 螺母有两个, 分别位于螺母座的两端, 装配时使螺母受2 000 N的预加负荷 (过盈0.01mm) , 丝杠螺母副结构示意图 (图6所示) , 螺母1端头有73齿的外齿圈, 螺母座对应端上也装有73齿的内齿圈, 螺母2端头有72齿的外齿圈, 螺母座对应端上也装有72齿的内齿圈, 靠改变螺母1、2与螺母座的相对位置来消除反向间隙。

2.2.2. 1 反向间隙粗调

将丝母更换合格滚珠, 装到丝杠上后, 重新调整丝杠丝母间隙。先粗调, 将两个螺母旋至贴紧螺母座, 感觉一下丝母在丝杠上的活动情况, 要求不能太紧也不能太松。定性来说, 滚珠丝杠的丝母要调整到能够在丝杠竖起时, 不给丝母施加太大力就能使丝母在丝杠上向下轻松自如转动。

拆Z轴丝母时预先在两个螺母与中间螺母座上做好标记, 以便正确安装丝杠丝母、调整间隙。把两个螺母旋至紧贴螺母座且对准标记处, 可以开始精调间隙。

2.2.2. 2 反向间隙精调

1) 反向间隙精调可以采用以下方法。

(1) 单边调一个螺母。

通过两个螺母对螺母座内夹调整反向间隙的情况下, 把螺母向螺母座拧紧1个齿距, 可以减小反向间隙约0.139 mm (72齿的螺母2旋转一个齿距, 轴向距离约是0.139 mm;73齿的螺母1旋转一个齿距, 轴向距离约是0.137 mm) , 条件是另一边固定不动。反之, 要加大间隙距离, 把螺母拧离螺母座。

通过两个螺母对螺母座外撑调整反向间隙的情况下, 把螺母向螺母座拧离1个齿距, 可以减小反向间隙约0.14 mm, 条件是另一个螺母固定不动。反之, 要加大间隙距离, 把螺母向螺母座靠近。

这种方法很不精确, 因为每齿约5°的角度, 很难准确调整不是0.14整数倍的间隙, 即使是0.14整数倍的间隙, 也不一定可以计算得很精确 (不过机械设备就是达到精度要求就可以了, 所以这种方法在实际中是可行的) 。

(2) 同时调二个螺母。

两个螺母齿数, 螺母2是72, 螺母1是73, 旋转一圈都是走过10 mm的距离, 所以可以这样调整:

通过两个螺母对螺母座内夹调整反向间隙的情况下, 把螺母1向右一个齿距, 螺母2也向右一个齿距 (就似追及问题, 跑得慢在前, 跑得快在后, 距离不断缩短) , 每一个这样的操作, 间隙就会减小 (10/72-10/73) mm, 也就是约0.001 9 mm。根据测量间隙大小计算需要转过的齿数, 按上述操作就可以消除间隙。若调后间隙还是达不到精度要求, 可以再测量、调整;若调整后配合太紧, 可以按上述操作反过来操作即可调松, 直到满足要求为止。

这种方法可以精确到微米单位, 是精确调整反向间隙的最佳方法。

2) 两个螺母同方向调整间隙公式:

(其中n为调整齿数;ΔP是调整量, 单位为mm) 。

3) 注意:方法二中精确调整反向间隙时, 一定要使两个螺母同向调整相同数目的齿数。

3 扩展分析和认识总结

卧式加工中心的X、Y、Z坐标轴采用的拖动结构基本相同, 可以举一反三, 触类旁通, 学会Z轴的故障处理, 其他轴可以采用相同的方法。

优化加工程序。之前加工程序不够精炼, 机床Z轴空走现象严重, 加工效率偏低, 加速了设备传动部件及电机局部磨损和老化。

优化系统程序。此卧式加工中心X轴原来是半闭环控制, 但通过机械和电气参数调整后轴向反向间隙仍过大, 将X轴改为全闭环控制以获得高的加工精度。

参考文献

高速卧式加工中心 篇6

柔性制造系统简称FMS (Flexible Manufacture System) , 是一组数控机床和其他自动化的工艺设备由计算机信息控制系统和物料自动储运系统有机结合的整体。柔性制造系统由加工、物流、信息流三个子系统组成, 在加工自动化的基础上实现物料流和信息流的自动化。随着汽车、内燃机在国内的迅猛发展, 发动机壳体等复杂零件的加工往往需要多台机床、多道工序的加工, 而且对精度要求也非常高。这就需要由多台机床组成的柔性制造系统来完成这类复杂零件的加工。

本文所论述的是柔性制造系统中用于满足工件装卸的台站机构设计。以我厂HMS63 FMS为例, 具体说明设计一款符合卧式加工中心的柔性制造单元的工件装卸台站所必需具备的功能。其外观结构紧凑、美观, 与整个制造单元风格协调一致, 与其它装卸台站比较具有操作方便、安全和可靠性高、安装和维修方便等优点。

2 结构与功能介绍

2.1 工件有无检测机构

因为FMS整个系统的工件装卸都是由运输小车在系统程序控制下自动完成的, 这就需要整个装卸台站要具备较高的可靠性, 必须具备自动判别装卸台站是否有工件存在的功能。如图2所示, 该结构是通过接近开关1向系统反馈信号来实现的。接触块2在拉伸弹簧6的作用下向上运动, 当离开接近开关1时向系统反馈装卸台站上无工件, 限位块7是向上限位作用。如果台站有台板时, 台板作用到导向杆3上, 导向杆3通过自润滑轴承4的导向下运动20mm, 接触块2随导向杆一起向下运动20mm后, 接触块2与接近开关1到达足够小的距离时, 接近开关1向系统反馈有台板信号。导向套5在整个运动过程中起到为拉伸弹簧导向的作用。

1.接近开关2.接触块3.导向杆4.自润滑轴承5.导向套6.拉伸弹簧7.限位块

2.2 装卸站旋转定位机构

如图3, 脚踏板7与固定块3通过铰链连接, 同时在拉伸弹簧2的作用下向上运动, 向下靠装卸工脚压实现。脚踏板7带动拉杆6和定位销5实现上下运动, 在台板4上在4×90°位置上有4个定位孔, 有3个浅孔1个深孔, 3个浅孔为装卸卡压时临时定位孔;深孔是装卸工件的定位孔。孔的深浅不同是为了区别其它三点的定位。通过接近开关1向系统反馈到位信号。支撑板8靠两组圆锥滚子支撑轴承支撑。可360°旋转。台板装卸时靠定位销11实现工件的定位。在支撑板左右有两个手柄10帮助实现工件的旋转。圆形支撑导轨9是用来支撑旋转门的导轨。可以实现旋转门360°旋转。在支撑导轨360°上均匀分布12个支撑轴承用于负责旋转门的支撑。

1.接近开关2.拉伸弹簧3.固定块4.台板5.定位销6.拉杆7.脚踏板8.支撑板9.支撑导轨10.手柄11.定位销

2.3 旋转门机构

图4为用于装卸站的旋转门结构, 支撑板是用于旋转门的上支撑, 上面有两组导向轴承用来对旋转门实现导向, 使旋转门平稳运转。旋转门设计成圆形是为了保证门的刚性和美观。在门的中间设有观察玻璃窗用于观察装卸台站内部的运行情况。旋转门设有安全装置, 用于保证在运输小车非工作时才可安全打开旋转门。旋转180°后可对加工区进行防护, 可以避免在运输小车出现误操作时对操作者造成伤害。

3 结语

该机床试制完成后, 从用户反馈情况看该结构运转稳定, 可靠性好。完全能够满足用户的需要。该产品现已批量生产, 并进行了模块、系列化设计。

摘要：FMS柔性制造单元的工件装夹是一大难点, 文中介绍了一种用于卧式加工中心FMS装卸台站的结构, 可以很好的解决这一难题。

高速卧式加工中心 篇7

随着机床逐渐向高速、高精领域发展,机床自身的振动问题逐渐成为制约这种发展趋势的一个关键因素。如果抑制机床振动、避免发生共振、提高其抗震性能是机床设计成功与否的关键。因此,本文正是基于这样一种现状对某精密卧式加工中心机床进行振动实验研究,以便通过先进的设备、成熟的测试手段测得机床的振动固有频率、阻尼比及固有振型等,然后根据实验结果进行分析,发现薄弱环节,为后续改进设计提供必要的实验依据。

2 机床振动测试的理论基础

机床振动系统分为简单振动系统和复杂振动系统,简单振动系统的固有特性主要是指整个系统的固有频率;复杂振动系统的固有特性则包含了系统的各阶固有频率、阻尼及模态振型等。试验测定系统固有频率的目的是为了避免整个机床工作中发生共振和为后续的动力分析打下一个好的基础。

单自由度系统运动微分方程如下:

式中:m-质量,g;c-阻尼系数,N·s/m;k-弹簧刚度,N/m;x-振动位移,N/m;Pcosωt谐激振力,N;为频率比。放大因子:

对于有阻尼系统,简谐激振和响应用复数表示时,会带来很多方便。当采用复数表示时

由于大多数机械系统和结构都是连续的非弹性体。在实际分析过程中,需要在满足精度要求的前提下将其近似简化为有限自由度系统,离散化为多自由度系统,其运动方程如下:

式中的[m]、[c]、[k]分别为系统的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵;{x}、{p(t)}分别为系统的响应和激励。系统的响应矩阵如下:

其中任意元素Hij(ω)表示第i点的响应与第j点的激励之间的频响函数。

当i=j时为原点频响函数;当i≠j时为跨点响应函数。

3 实验前期准备工作

3.1 实验设备

本次试验主要是采用表1中的仪器设备对某精密卧式加工中心进行模态试验分析。

3.2 实验内容

根据机床抗振性研究及动力学分析的需求确定模态测试作为振动实验的主要内容,模态测试包括固有频率测试、阻尼比测试和振型测试三部分内容。

3.3 实验系统搭建

根据实验内容及实验原理进行实验平台的搭建,包括激振器、传感器的布置及连接测试系统等。在试验平台的搭建时要注意选用三维加速度传感器,在振动传感器的安装时要根据实验分析频率的范围来固定。在模态测试时需要激振器,由于本精密卧式加工中心属于小型设备,故可以采用单点激励,多点响应方法进行测试。实验中要将激振器的激振点和柔性杆连接。关于模态测试实验系统搭建如图1所示。

4 模态测试流程及结果分析

4.1 模态测试流程

在上述准备工作完成之后实验正式开始之前,在B&K公司的MTC Shaker测试用的软件中,根据测试简化原则和不丢模态原则对机床的三维模型进行简化绘制。测试时,首先要把激振器固定在机床的工作台上,然后用激振器发出瞬态随机信号沿与x、y、z三方向成45°方向激励主轴端,使用力传感器在此处直接测量激振力的大小,由于机床未拆除防护,只能使用3个加速度传感器对主轴部件和工作台进行响应测量,但也可以显示出主轴和工作台的相对振动关系,各测点布置如图2所示。测试过程中要对加速传感器采集到的信号先利用校准器进行校准,然后再进行后处理分析,进行5次测量后,最终完成该精密卧式加工中心的模态测试。

4.2 实验结果分析

通过实验测试及软件的分析处理,最终获得的实验结果如表2、图3、图4所示。

模态试验测量结果表明,37.7Hz、42.1Hz这三阶模态对机床的动态特性影响较大,主轴与工作台反相位振动对加工精度有着非常不利的影响,应着重加以消除或减少,或在机床主轴实际工作时避开上述固有频率对应的主轴临界转速2262r/min、2526r/min。同时,加强立柱及主轴箱强度,提供其动刚度,以改善目前的振动状况。

5 结论

数控机床的整机振动测试研究是进行其他研究的基础和前提,具有重要的意义,本文本着提升产品的研究水平和增加产品自身的可靠性出发,采用了相关的测试手段和方法进行测试研究。最终获得了实际需求并对后续设计具有重大指导意义的实验数据,同时通过各阶模态振型真实地反映出了机床实际振动状态,发现薄弱环节,指导设计改进。

参考文献

[1]毛军,韩周弟,机床激振实验[J].宁夏工学院学报(自然科学版),1997(12):91-93.

高速卧式加工中心 篇8

1 卧式数控加工中心主轴热误差测量与数据分析

1.1 主轴热误差测量方法

依据主轴热误差综合特征描述矩阵, 可构建由多通道数据采集模块、温度传感器、位移传感器、热成像仪和测量数据同步显示模块组成的热误差测量系统。实际检测中, 可选用接触与非接触组合方法对加工中心主轴温度场进行测量。先使用红外热成像仪采用非接触方法测量主轴, 同时使用PT100铂温度传感器采用接触式方法测量主轴温度场。试验选用五点法对主轴热误差进行检测, 五点法就是在X和Y方向分开布设两个位移传感器对各自方向上的热倾斜和热漂移进行测量, 另外在Z方向上布设一个位移传感器对轴向伸长进行测量。

测试过程中, 主轴应依照设定速度进行旋转, 利用数据采集软件的监控模块对热变形及温度场状况进行实时监测[1]。

1.2 主轴有效测温点设定

数控机床温度场不同部位的温升会对机床热变形产生不同程度的影响, 而通常会存在一些其温升变化会明显影响机床热误差的点, 此类点称为热误差敏感点。测温点设定时, 可采用相关系数法, 整体考虑Z热伸长及Y向热漂移, 由各测温点类别中挑选出对热位移影响最明显的主要测温点作为此类别的代表点, 并将其用于随后的热误差补偿建模。

1.3 主轴热误差数据分析

在高低转速切换与阶梯转速切换两类试验工作条件下, 即使温度测点数据综合走向存在差异, 但其随主轴转速的变化趋势确实类似的:在主轴旋转时间增加、转速增加的时候, 温度会同时升高;而在主轴旋转时间减少、转速降低时, 温度会同时下降;且在某一转速条件下, 温升会达到某一极限值, 在该值状态下, 其随主轴旋转保持均衡温度场状态。

试验过程中同时测试了速度切换所引发的主轴热变形。在主轴温度场保持恒定后的一段时间内, 主轴变形将进入高限值, 切换至下一转速, 以采集特定转速下的最大热变形和最高温升。根据阶梯转速切换试验数据, 同类试验工作条件下, 热误差具有一致的变化趋势, 数据可重复, 表明加工中心主轴具有稳定的热特性规律。

2 卧式数控加工中心主轴热误差控制措施

2.1 控制温升

热源是引发机床热变形的关键因素, 调整热源以降低主轴温升, 或采用平衡温度场的方法减少变形, 是确保机床热态精度良好的重要举措。具体操作时, 可使用恒温冷却机对将流经主轴箱或主轴轴承的润滑油进行冷却处理, 以降低主轴轴承的温升;或采用水内冷却或空气循环冷却的方法, 在主轴轴承外环或主轴箱内设置换热冷却环套, 使冷却介质循环进入冷却套内, 以实现冷却主轴部件的功能[2]。

2.2 机床改造

对机床进行设计改造, 以尽可能降低机床对温度的敏感性, 优化设计热态结构, 是改善数控机床加工精密型的重要措施。热态结构优化设计是指在某热源条件下, 以参数优化和形状优化为着力点, 找寻科学有效的刚度分布和温度分布, 对机床机构的热位移进行控制, 确保运转精度。在设计主轴时, 应综合考虑润滑油路布设、尺寸参数、结构类型、热源设置等因素, 对大件实施优化设计以降低热变形。此外, 应对机床关键发热体的导热率进行改进, 选用比金属导体具有更高导热率的材料以将热源处的热量传递到其他部位, 实现温度场均衡。

2.3 误差补偿

作为改善机床加工精度的一种重要手段, 热误差补偿相比温度控制和结构优化具有更高的经济性和稳定性。误差补偿的关键是构建一个能对误差预测的数学模型, 在数控加工时通过该模型预测误差, 以完成实时补偿。热误差补偿通常包含预先标定误差补偿和主动误差补偿两部分。依据企业实际状况, 采用温控技术对主轴热特性进行改善, 可在不改变动静态性能的基础上更好的提升机床热态精度。可采用的方法有:

(1) 当主轴单元温度场分布与温度梯度不一致时会导致主轴系统热不对称, 由此可造成轴承发生偏斜。主轴设计应做好对称性设计, 也就是热对称和结构对称。

(2) 因制造或结构设计等导致主轴单元内部热源难以进行快速冷却时, 可选用冷源法对机床内部重要热源热量进行吸收, 如利用强制油冷, 将螺旋冷却油槽附设在主轴外周, 使用前后轴承改造形成专用冷却回路等方法来改善主轴散热条件。同时可配合使用热源法对残余热误差进行校正, 以实现综合监控温度的目的[3]。

(3) 降低主轴发热量, 可将接触式密封替换为非接触式迷宫密封气封, 以控制系统内部热源数量, 将钢珠轴承替换为陶瓷球轴承、使用同步电机代替异步电机、将脂润滑替换为油-气润滑、调整轴承预紧力等来减小轴承发热强度。

(4) 对热位移实施热补偿, 可对轴承热温升状况进行检测, 对部分温度不高部件实施强制升温, 以产生热对称, 改善主轴热特性。

3 结语

主轴热误差的控制水平将直接影响卧式数控加工中心的运行质量和安全性, 因此, 相关技术与研究人员应加强有关卧式数控加工中心主轴热误差问题的研究, 总结卧式数控加工中心主轴热误差来源及关键控制技术措施, 以逐步提升加工中心主轴工作精度。

参考文献

[1]仇健, 刘启伟, 刘春时, 马晓波, 林剑峰.卧式加工中心主轴温度场预测与热误差分布[J].制造技术与机床, 2012, 05 (35) :57-58.

[2]陈松, 王永青.数控机床热误差测点优化模型预测与实时补偿的研究[J].组合机床与自动化加工技术, 2013, 06 (10) :61-62.

高速卧式加工中心 篇9

一、工作过程分析

六工位工作示意如图1。

图中No.1～No.6为六工位位置, 由一个旋转双托架APC和六个托架台组成。在这个系统中, 托架数量和加工调度由一个托架控制器管理。

这个系统包括:⑴在等待工位和加工区交换托架的一个旋转双托架APC;⑵存储备用托架的循环工位;⑶在准备工位和循环工位之间传送托架的循环工位。

搬入和搬出:搬入是把托架从准备工位传送到另一工位 (等待工位或者托循环工位) 的操作;搬出是把托架从别的工位传送到准备工位的操作。

循环工位:是指把待加工工件放到托架上或者把已加工工件移出托架。

等待工位:旋转双托架APC的下一待换托架或已加工工件的托架都临时放在等待工位。

二、技术分析

1. 位置分析

由于要实现多工位的相互可靠转换, 位置精度是至关重要的。为保障工位之间的准确转换, 厂家在设计中大量用到各种位置检测开关, 用来判断各工位的位置及确保下一步操作的顺利实施。各工位及检测开关的位置、功能如图2、表1所示。

2. 工作过程流程图

No.2准备工位传送到等待工位No.1的动作流程见图3。

三、故障举例

故障现象:MA-600H卧式加工中心执行加工区与等待工位交换工位失败, 系统急停。

故障分析:首先分析在这个位置工作失败, 应与两个检测开关有关。SQ1P:托架检测开关;SP1P:托架座确认检测开关。通过查找厂家的电路图, 找到各开关所对应标号, SQ1P—i PLES, SP1P—i PSIT。再应用系统PLC监控软件检查各接口状态, 如图4。